De jacht op het minieme deeltje

De Large Hadron Collider is het nieuwe paradepaardje van het Cern. De immense Geneefse deeltjesversneller moet de kroon zetten op het Standaardmodel van de bouwstenen der materie én een uitweg bieden voor de tekortkomingen van dat model.

EVEN BUITEN Genève, tussen Jura en Alpen, ligt honderd meter onder de Zwitsers-Franse bodem een ringvormige tunnel. Binnen een paar jaar moet die buis de natuurkunde op zijn kop zetten. In de tunnel, meer dan manshoog en 27 kilometer in omtrek, is Cern, het Europese instituut voor deeltjesfysica, bezig 's werelds krachtigste deeltjesversneller aan te leggen. Duizenden fysici staan in de startblokken.

De Large Hadron Collider, zoals de immense machine gedoopt is, is ontworpen om protonen in twee dunne vacuümbuizen in de tunnel rondjes te laten draaien (in de ene buis linksom, in de andere rechtsom), tot duizelingwekkende vaart te versnellen en op elkaar te laten botsen. Zo energierijk is de klap dat de trefplaats een bron zal zijn van een waaier aan exotische deeltjes die in alle richtingen wegvliegen. De hoop van fysici is nu dat zich onder die exoten het roemruchte Higgs-deeltje zal ophouden. Dat deeltje speelt een sleutelrol in de theorie van de bouwstenen van de materie maar is nog nooit gezien. Wie het vindt, wint geheid de Nobelprijs.

Maar Cern is niet het enige laboratorium dat het Higgs najaagt, er zijn kapers op de kust. Om die reden wil Jos Engelen, wetenschappelijk directeur van Cern, de Large Hadron Collider zo snel mogelijk aan de praat hebben. Oorspronkelijk zou de versneller volgend jaar klaar zijn, maar inmiddels is dat tijdstip verschoven naar de zomer van 2007. ``Cern heeft de beste kaarten'', zegt Engelen vastberaden, ``maar de concurrentie van Tevatron van het Fermilab bij Chicago is niet helemaal uit te vlakken. Die versneller heeft net een upgrade achter de rug en begint zoetjesaan op stoom te raken. Wij moeten nog beginnen.''

concurrent

De Amerikaanse Tevatron botst protonen op anti-protonen en intense bundels anti-protonen zijn lastig te maken. LHC haalt honderd keer zoveel botsingen als zijn concurrent in Chicago en de energie per Geneefse botsing is zeven keer zo groot. Om een resultaat van gelijke statistische kwaliteit neer te zetten zullen de Amerikanen dus veel langer moeten meten. Zeker is dat indien het Higgs werkelijk bestaat, het Cern zal zijn die de precieze eigenschappen van het deeltje vaststelt. Maar niet uit te sluiten valt dat het Fermilab het eerst het bestaan zal aantonen, waarna de LHC met het Higgs mag gaan `boekhouden' – wetenschappelijk verreweg het belangrijkst maar naar buiten veel minder spectaculair. De kans op dat rampscenario (in Europese ogen) stijgt naarmate Cern later met zoeken begint.

``Zo'n Higgs-meting is een zaak van lange adem'', aldus Engelen, ``en ik acht het uitgesloten dat het Higgs voor 2007 in Chicago opduikt. Maar de Amerikanen gaan echt niet zitten wachten op een statistisch keihard resultaat, zeker niet als wij eraan komen. Zodra ze overtuigende aanwijzingen hebben, treden ze naar buiten. Dus moet Cern alles op alles zetten om zijn LHC in 2007 in bedrijf te stellen.''

Het zal nog een zware dobber zijn die datum te halen. Op het Cern-terrein liggen op vers asfalt honderden grijsmetalen cilinders, vijftien meter lang en driekwart meter in diameter. In die cilinders zitten de voor de protonen bestemde buizen, omsloten door hightech supergeleidende magneetspoelen. Ook zitten er koelbuizen in om het geheel tot een paar graden boven het absolute nulpunt (-273 °C) af te koelen. De partij glimmende cilinders is bestemd voor de Large Hadron Collider. In weer en wind wachten ze op betere tijden, op plaatsing in een omhullende vacuümcilinder, op transport naar de LHC-tunnel.

``Steeds als ik zo'n cilinder zie, zie ik een Rolls Royce'', zegt Engelen. ``In prijs maakt het weinig uit. Ze hadden al de tunnel in gemoeten. Daar horen ze. Maar voorlopig liggen ze in de buitenlucht. In juni kwam aan het licht dat Air Liquide, fabrikant van de infrastructuur om de supergeleidende spoelen van vloeibaar helium te voorzien, steunen in distributiebuizen van een brosser materiaal had gemaakt dan was afgesproken. Tachtig procent bleek gebroken. Paniek. Er is in allerijl een reparatieschema opgesteld en met parallelle werkzaamheden hopen we het gat in het tijdschema te dichten. Intussen worden aan de lopende band magneetcilinders afgeleverd. Er komen er 1232, plus wat bijzondere exemplaren. Noodgedwongen hebben we een stuk terrein laten asfalteren om ze kwijt te kunnen.''

De Large Hadron Collider is het paradepaardje van Cern. Het miljardenproject, tien jaar geleden gelanceerd, heeft absolute prioriteit. Er wordt gebruik gemaakt van bestaande infrastructuur. De ring is in de jaren tachtig aangelegd voor de LEP, de Large Electron Positron-collider (die van 1989 tot 2000 het Standaardmodel van de bouwstenen van de materie met ongeëvenaarde precisie heeft getest en in orde gevonden). Ook de injectie van de protonen geschiedt met reeds aanwezige middelen. Door de ronddraaiende LHC-protonen, positief geladen deeltjes, steeds opnieuw op het juiste moment via elektrische velden duwtjes te geven, loopt de snelheid op tot 99,999999 procent van de lichtsnelheid (300.000 km/s), corresponderend met een energie van 7 TeV (tera-elektronvolt) per deeltje. Botsingen van twee in tegengestelde richting lopende protonen gaan dus vergezeld van 14 TeV aan energie, en daar valt veel mee te doen.

Om protonen bij die enorme energie niet uit de bocht te laten vliegen dienen krachtige magneetspoelen die 12.000 ampère aan stroom trekken. Tientallen speciale magneten (quadrupolen) beletten dat de protonenbundels uitwaaieren. Alle magneettypen zijn gewikkeld uit een supergeleidende draad van niobium en titaan, om geen warmteontwikkeling te geven, en opereren bij een temperatuur van nog geen twee graden boven het absolute nulpunt. Bij die koude is helium supervloeibaar en daarmee een ideale warmtegeleider. ``Een supergeleidend magneetsysteem op die schaal is niet eerder vertoond'', zegt Engelen. ``En in beide protonenbundels zit meer energie opgeslagen dan in een mammoettanker op topsnelheid. Dat stelt extreme eisen aan de software die de protonen op koers moet houden. Raakt een bundel de wand, dan richt hij enorme schade aan die de LHC voor lange tijd plat zou leggen.''

De 14 TeV aan botsingsenergie is 14.000 keer zoveel als via Einsteins formule E=mc² (m is de massa, c de lichtsnelheid) aan energie in een stilstaand proton ligt opgeslagen. Beide inkomende protonen, die bij de klap `oplossen', maken plaats voor de meest uiteenlopende en exotische deeltjes. Die deeltjes vliegen alle kanten op en zijn in de regel instabiel, zodat ze binnen de kortste keren vervallen tot weer andere deeltjes. Verreweg de meeste zijn aan fysici bekend: ze zijn opgedoken in eerdere experimenten en passen in het Standaardmodel van elementaire deeltjes (zie kader). Alleen het Higgs is nog zoek; wie het vindt zet de kroon op het Standaardmodel. Fysici denken dat Higgs de andere deeltjes hun massa bezorgt. Blijkt Higgs een hersenschim, dan duikt ongetwijfeld iets anders spectaculairs op om het Standaardmodel te completeren. En omdat dat model zijn tekortkomingen heeft, denken deeltjesfysici met LHC ook voorbij het Standaardmodel te kunnen kijken, onontgonnen terrein dat ongetwijfeld bizarre verrassingen in petto heeft.

Al die deeltjes, vertrouwd of niet, moet je wel waarnemen. Om door te dringen tot de wereld van het allerkleinste, op een schaal van een miljardste van een miljardste centimeter, zijn paradoxaal genoeg detectoren nodig met de afmetingen van kathedralen. Op twee plaatsen in de LHC-ring zijn detectoren in aanbouw die, ieder volgens een eigen ontwerp, het Higgs-deeltje (en veel meer) moeten aantonen. Ze worden gerund door internationale conglomeraten van tientallen researchinstituten (per experiment anders van samenstelling). Engelen: ``Het artikel dat het bestaan van het Higgs wereldkundig maakt zal 2000 auteurs tellen.''

Naar de detectoren. Vanuit het hoofdgebouw is de Atlasdetector (A Torridal LHC ApparatuS) met de auto enkele minuten rijden. Engelen, tot vorig jaar directeur van het Nikhef in Amsterdam (dat participeert in Atlas), parkeert voor gebouw SDX, naast tanks met vloeibare stikstof. We treffen er Herman ten Kate, bij Atlas projectleider van het magneetsysteem. Helmen op, nemen we de lift naar de op honderd meter diepte uitgegraven holte (50.000 kubieke meter, meer dan de Notre Dame) waar Atlas in aanbouw is. Metaalroosters en -trappen, geluiden als op een scheepswerf, de geur van soldeer, aluminium pijpleidingen in alle formaten, knalgele kranen die traag heen en weer schuiven – het is het decor van de slotscene van een James Bondfilm. Ten Kate wijst omhoog, naar rode afsluiters in de zijwand. ``Bij brand komt er schuim uit, net zolang tot de hele ruimte vol staat.''

naald & hooiberg

In de diepte is de assemblage van Atlas in volle gang. Juist omdat de detector lang niet af is, valt er veel te zien. De Atlas-cilinder meet 46 bij 25 meter. Vanaf 2007 zullen in het hart van Atlas protonen op elkaar botsen, aangevoerd vanuit de LHC-tunnel die aan weerszijden op halve hoogte in de onderaardse holte uitmondt. De uitdaging is om de talrijke deeltjes die zo'n botsing genereert te identificeren, hun banen door de detector te volgen en hun eigenschappen te bepalen. Het Higgs-deeltje zelf zal nooit direct gedetecteerd worden, daarvoor leeft het te kort. Zijn bestaan zal moeten blijken uit een reconstructie op basis van de deeltjes waarin het uiteenvalt. Die reconstructie verschilt per botsing, afhankelijk hoe de protonen (beter: de drie quarks waaruit een proton is opgebouwd) elkaar schampen dan wel vol raken.

Het is zoeken naar een naald in een hooiberg: hooguit honderd op de miljard botsingen die iedere seconde plaatsvinden leveren potentieel iets interessants op. Aan Atlas en de dataverwerking de taak om dat ene event – wie weet de Higgs – er uit te filteren. En om de rest van de ruwe gegevens subiet weg te mikken. De eerste selectie, die alleen de uiterst geringe fractie potentieel interessante events doorlaat, voltrekt zich om die reden in een ruimte vlakbij Atlas: dan is de transporttijd van de signalen kort genoeg.

Atlas is een samenstelsel van vier concentrische detectoren, verschillend in functie, formaat en werkingsmechanisme. Van binnen naar buiten gaat het om de tracking chamber, de elektromagnetische caloriemeter, de hadroncaloriemeter en de muonenkamer. Niet alle schillen zijn gevoelig voor alle deeltjes. Fotonen (lichtdeeltjes) passeren ongemerkt de tracking chamber, om in de elektromagnetische caloriemeter alsnog een signaal te geven. Muonen (een zwaar soort elektronen) laten in alle vier de detectoren een spoor na. Magneetsystemen zorgen ervoor dat geladen deeltjes niet rechtuit vliegen maar een gekromd spoor trekken, waarbij buigrichting en kromtestraal informatie verschaffen over lading en impuls (lading snelheid).

Helemaal buiten, meters weg van de protonbundel, ligt de muondetector. Alleen muonen en neutrino's komen zover. Pièce de résistance is de toroïdale magneet. Die heeft een cirkelvormig (tangentieel) magneetveld en buigt de muonen anders af dan de binnenmagneet om de tracking chamber. Het gevaarte, het risicovolste onderdeel van het Atlasontwerp, bestaat uit acht langgerekte O's, elk 25 meter lang en 1 meter dik. Deze maand is de eerste geplaatst. Hoe grofstoffelijk het gevaarte van 100 ton ook oogt, een lasersysteem ontwikkeld door Nikhef zorgt ervoor dat hij, net als andere Atlas-onderdelen, met een precisie van 0,05 mm op zijn plaats komt. ``Om de magneet te trainen'', zegt Ten Kate, ``is er een paar keer zoveel stroom door gestuurd dat de supergeleidende toestand omsloeg in de normale: quenching. Dat geeft warmteontwikkeling en uitzetting en dan krijgen de draden de kans `goed' te gaan liggen.''

De weg terug naar de lift voert door een stukje lege tunnelring. De LEP, voorganger van de Large Hadron Collider, is ontmanteld. In 2000, in de nadagen van LEP, ontstond opwinding toen bij een botsingsenergie van 115 GeV, het maximaal haalbare voor die versneller (en een factor honderd lager dan wat LHC in petto heeft), een van de detectoren een glimp van het Higgs meende te ontwaren. De betrokken fysici smeekten om extra meettijd – tevergeefs. ``Als lid van de Cern Research Board was ik destijds voor sluiting van LEP op het afgesproken tijdstip'', zegt Engelen. ``De aanwijzingen voor Higgs waren niet overtuigend, doormeten zou minstens een jaar hebben geduurd en de contracten voor de sloop van LEP waren al afgesloten. Verhitte koppen, en pas achteraf realiseerde ik me hoe dramatisch het afscheid is van een experiment waarmee je bent getrouwd.''

stroomspoel

Het Higgs-deeltje is er pas echt als ook een tweede detector het opmerkt. Bij de Large Hadron Collider is dat de CMS, de Compact Muon Solenoid. Compact slaat op het iets kleinere formaat vergeleken met Atlas, een solenoïde is een stroomspoel parallel aan de protonenbundel. CMS ligt diametraal aan de andere kant van de LHC-ring in Frankrijk, een klein half uur met de auto. Walter van Doninck, hoogleraar aan de Vrije Universiteit van Brussel en betrokken bij CMS, fungeert als chauffeur – de zon staat laag boven de velden, in de verte schittert de Mont Blanc. In tegenstelling tot Atlas wordt CMS bovengronds in elkaar gezet en getest, waarna het geheel in grote stukken omlaag zal worden getakeld. Het gaat om een relatief conventioneel ontwerp, met als opvallendste detail de elektromagnetische caloriemeter. Kristallen van wolfraam, lood en zuurstof moeten binnentredende fotonen absorberen. Er is veel in geïnvesteerd om staafjes van dat kristal (80.000 stuks zijn er nodig) stralingshard te krijgen. ``Onze fotonen-caloriemeter is beter dan die van Atlas'', zegt Van Doninck. ``Bij gelijke tegenslag denk ik dat wij de race om het Higgs-deeltje gaan winnen.''

Maar de caloriemeter moet wel af. De PbWO4-kristallen zijn moeilijk om te maken, ze groeien onder hoge druk in ovens. Slechts een à twee bedrijven wist Cern voor de klus te interesseren. Het Russische bedrijf dat het contract binnensleepte wil nu de prijs per kubieke centimeter met een dollar verhogen. Engelen: ``Hogere lonen, hogere energieprijzen, wegvallende staatssteun, van die dingen. De caloriemeter heeft 10 miljoen kubieke centimeter van dat kristal nodig. Wie gaat dat betalen? Je wilt geen faillissement, dan ben je nog verder van huis.''

Terug in zijn directeurskamer benadrukt Engelen nog eens dat de Large Hadron Collider er echt snel moet komen. Ditmaal haalt hij de theorie erbij. LHC kijkt verder dan het Standaardmodel en op onontgonnen gebied heerst anarchie. Zelfs zijn er theoretisch fysici die, uitgaande van het bestaan van extra dimensies waarlangs de zwaartekracht weglekt, beargumenteren dat LHC in staat zal zijn piepkleine zwarte gaten te produceren. Die verdampen lang voor ze de kans krijgen de aarde te verzwelgen, en dat tonen ze via de productie van zo'n flits aan de meest uiteenlopende deeltjes dat Atlas of CMS als een kerstboom zal oplichten.

``Genoeg gewacht'', zegt Engelen. Gekscherend: ``Om theoreten te behoeden voor nóg meer perfide scenario's is het echt de hoogste tijd de detectoren te laten spreken.''